DE19646511C1 - Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement - Google Patents
Piezoaktuatorisches Antriebs- oder VerstellelementInfo
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
Description
Die Erfindung betrifft ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder
Verstellelement, welches
insbesondere zur Erzeugung von Kippbewegungen in hohen
Frequenzbereichen Verwendung findet.
Piezoelektrische Antriebs- und Verstellelemente sind bereits bekannt. Der
vorliegender Erfindung zugrundeliegende Antriebs- bzw.
Verstellelemente sind solche, welchen als aktuatorischen Körper
piezoelektrische Stapelantriebe einsetzen. Solche Antriebe sind mit Ihren
Vorteilen z. B. ausführlich in F & M Feinwerktechnik, Mikrotechnik,
Meßtechnik, 104 Jg. 1996, Carl Hanser Verlag München, S. 68ff.
beschrieben. Ebenfalls beschreibt DE 44 45 642 A1 einen solchen
Antrieb, bei dem eng benachbarte piezoelektrische Doppelstapel zum
Einsatz gelangen und der für vielfältigste Antriebsaufgaben einsetzbar ist.
Ein grundsätzlicher Nachteil bei allen bekannten Stapelantrieben besteht
darin, daß die erforderlichen äußeren elektrischen Stapelkontaktierungen
(vgl. z. B. DE 42 24 284 A1) einer erheblichen mechanischen Belastung
sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb unterliegen. Die
Stapel sind aus einer Vielzahl übereinander geschichteter, miteinander
verbundener und jeweils beidseitig flächig kontaktierter piezoelektrischer
Folien aufgebaut. Die äußere Kontaktierung der einzelnen Folien
untereinander erfolgt jeweils an sich gegenüberliegenden Längsseiten der
Stapel durch eine durchgängige Elektrode, insbesondere eine Lotschicht.
Diese Elektroden, als auch feldfreie interaktive Isolationsbereiche sind
während der Dehnung und Kontraktion der Stapel höchsten
mechanischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Beim Betrieb
solcher Stapel mit Impulsströmen im Amperebereich und Frequenzen im
kHz-Bereich erfahren übliche Stapel Dehnungen von 1. . .2 ‰, was die
Lastwechselzyklen auf kleiner als 109 deutlich begrenzt. Weiterhin
nachteilig bei diesen bekannten Antrieben ist der nicht unerhebliche
mechanische Aufwand, um die durch die Stapel erzeugten reinen
Translationsbewegungen in Kippbewegungen umzusetzen (vgl. bspw.
DE 44 45 642 A1 oder EP 0 574 945 A1).
Weiterhin sind nach dem Stand der Technik Bauformen für andere
Anwendungen bekannt. Beispielsweise beschreibt DE 196 05 214 A1 ein
Ultraschallantriebselement, das typischerweise bei Frequenzen von
< 20 kHz arbeitet. In dieser Betriebsart treten nur sehr geringe Hübe und
damit geringe mechanische Dehnungen der äußeren Kontakte auf,
weshalb dort auch keine besondere Vorschrift für die Anordnung der
Elektroden angegeben und erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoaktuatorisches
Antriebs- oder Verstellelement mit einer Laminatstruktur anzugeben, das
die erforderlichen elektrischen
Anschlußkontaktierungen einer wesentlich verminderten mechanischen
Belastung aussetzt und insbesondere direkte Kippbewegungen, ohne
weitere Mittel zur Bewegungswandlung realisiert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht darin,
daß ein erster und ein zweiter Bereich aus piezoelektrisch aktivem,
insbesondere piezokeramischem Material bestehender, in Laminatstruktur
ausgeführter Stapel vorgesehen sind zwischen denen ein dritter Bereich
angeordnet ist, der Gebiete beinhaltet, die vom elektrischen Feld,
herrührend von den spannungsbeaufschlagten flächigen
Laminatkontaktierungen, unerfaßt sind und die äußeren
Elektrodenanschlüsse der beiden piezoelektrisch aktiven Bereichen
weitestgehend in Richtung genannten feldfreien Gebietes verlagert sind,
wobei der dritte Bereich mit dem ersten und zweiten Bereich zumindest
formschlüssig, bevorzugt stoffschlüssig verbunden ist.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und
schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen ersten schematischen Aufbau eines gemäß der
Erfindung ausgebildeten piezoaktuatorischen Antriebs- oder
Verstellelementes,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausbildung nach Fig. 1,
Fig.3 eine bevorzugte Verwendung einer Ausführung nach Fig. 2
für bspw. einen Kippspiegelantrieb,
Fig. 4 eine bevorzugte Ausbildung der einzelnen
Laminatflächenelektroden gemäß der Erfindung,
Fig. 5 eine kleinste Stapelbreite, die sich aus einer Ausführung nach
Fig. 4 herstellen läßt und
Fig. 6 und 7 weitere Variationsmöglichkeiten von Laminatflächen
elektrodenausführungen.
In Fig. 1 ist ein grundsätzlicher Aufbau vorliegender Erfindung
perspektivisch dargestellt. Dabei besteht der Antrieb aus zwei
piezoelektrischen Stapeln (bei 1, 2), die aus einer Vielzahl
übereinandergeschichteter und miteinander verbundener
piezokeramischer Lamellen, die jeweils in der x-y-Ebene beidseitig
flächig kontaktiert sind. Zwischen diese beiden Stapel ist
formschlüssig mit diesen verbunden ein Bereich 3 eingebracht, dessen
Seitenflächen deckungsgleich zu den jeweils anliegenden Seitenflächen
der Stapelbereiche 1, 2 ausgeführt sind. Die äußere Kontaktierung der
einzelnen, stapelstirnflächig endenden Lamellenelektroden erfolgt über
den Gesamtstapel erfassende Elektroden 4' (4) und 5' (5), beispielsweise
über eine belotete Sputterkontaktschicht. Gemäß der Erfindung sind diese
Elektroden 4' (4), 5' (5) jedoch weitestgehend in den piezoelektrisch
passiven Bereich 3 verlagert angeordnet.
Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, wie in Fig. 2
angedeutet, daß die Bereiche 1, 2 und 3 durch einen einheitlichen Stapel
aus jeweils ganzflächig die Bereiche 1, 3, 2 überdeckenden
durchgängigen Laminatplättchen gebildet sind, wobei eine besondere
Elektrodenstruktur zwecks Bildung eines piezoelektrisch passiven
Bereichs 3 vorgesehen ist, die anhand von Fig. 4, 5, 6 und 7 näher
beschrieben wird. Bei derartigen Ausbildungen kann eine vollständige
Verlagerung der äußeren Elektroden 4', 5' in den piezoelektrisch
weitestgehend passiven Bereich 3 realisiert werden.
Eine detailliertere Ausführung der Erfindung soll anhand von Fig. 3
beschrieben werden, die schematisch die Verwendungsmöglichkeit des
Antriebs für einen Kippspiegel darstellt.
Der dargestellte Stapel mit seinen Bereichen 1, 2, 3 soll aus 160
piezokeramischen Folien einer Dicke von 100 µm bestehen. Die
einzelnen Folien sind beidseitig mit periodisch wiederkehrenden
Kontaktstrukturen, wie in Fig. 4 näher dargestellt, versehen. Die Folien
werden so übereinander gestapelt und verfügt, daß die Kontaktstrukturen
benachbarter Folien deckungsgleich übereinanderliegen und eine
gemeinsame Elektrodenfläche bilden. Durch Teilung mit einer Trennsäge
senkrecht zu den Elektrodenflächen (vgl. Trennlinie A-A in Fig. 4)
entsteht als kleinstmögliche Einheit die in Fig. 5 dargestellte
Querschnittsgeometrie. Durch Metallisierungen 4, 4' und 5, 5' in der
Trennebene werden beidseitig die Elektrodenbeläge der Bereiche 1 und 2
so miteinander kontaktiert, daß geradzahlige und ungeradzahlige
Kontaktebenen elektrisch miteinander verbunden sind. Durch Anlegen
einer Spannung von 200 V an die Elektroden 4 und 4' sowie 5 und 5'
erfolgt die Polarisation der Piezolamellen in den Bereichen, wo sich die
geraden und ungeraden Kontaktebenen überdecken. So entsteht eine
Ausbildung in den piezoelektrisch aktiven äußeren Bereichen 1 und 2
und dem piezoelektrisch passiven inneren Bereich 3 zwischen den
Übergangsbereichen 3' und 3''. Die äußeren elektrischen Anschlüsse 4, 4'
und 5, 5' erfolgen über Lotverbindungen der vier Metallisierungen mit
vier nicht dargestellten Anschlußdrähten. Der so entstandene Aktuator
hat eine Geometrie von l = 16 mm, b = 14 mm und t = 2,5 mm. Aufgrund
der Periodizität der Kontaktstrukturen sind ungeradzahlige Vielfache der
Tiefe t ebenfalls funktionsfähig (vgl. Fig. 4). Der so geschaffene Aktuator
ist grundsätzlich in zwei Betriebsarten betreibbar, wobei die nachfolgend
beschriebene erste Betriebsart die im Rahmen vorliegender Erfindung
anstrebenswerteste ist.
Es erfolgt eine Spannungsbeaufschlagung mit
antisymmetrischer Spannungsänderung von Bereich 1 von 0. . .200 V
bzw. von Bereich 2 von 200. . .0 V;
Es erfolgt eine Spannungsbeaufschlagung mit
symmetrischer Spannungsänderung von Bereich 1 und 2 zwischen
0. . .200 V.
An den in Figuren dargestellten Meßpunkten MP1 bis MP4 werden folgende
Längenänderungen gemessen:
wobei die jeweilig angegebenen Längenänderungen jeweils für den mit
Meßtoleranzen versehenen Maximalhub in den einzelnen Bereichen
stehen.
In der Betriebsart 1 ergibt sich eine große antisymmetrische
Längenänderung im Bereich der Meßpunkte 1 und 2. In der
Symmetrieachse, am Meßpunkt MP3 zeigt sich praktisch keine
Längenänderung. Im Bereich der äußeren Anschlüsse 4, 4' und 5, 5'
(MP4) ist die Längenänderung auf ca. ein Drittel und damit sehr stark
gegenüber der Längenänderung in den Bereichen 1 und 2 (MP1, MP2)
reduziert. Die aus den Messungen resultierende Verkippung der
Oberfläche beträgt ± 0,11°. Mit einem solchen Antrieb ist bspw. ein
Kippspiegel betreibbar, dessen Auslenkungen oberhalb einer
massearmen, biegesteifen Druckplatte 6 in Fig. 3 angedeutet ist.
In der Betriebsart 2 ergibt sich eine symmetrische Dehnung von 1 ‰
der Länge mit einer leichten Reduzierung der Dehnung im Bereich 3
(MP3 und MP4). Der erfindungsgemäße Aktuator ist somit auch wie ein
nach dem Stand der Technik aufgebauter Einzelaktuator betreibbar.
Wird dieser Stapel mit einer biegesteifen massearmen Druckplatte
6, die mit einer Basisplatte 8 über Spannmittel 7 verbunden ist, mit einer
symmetrisch wirkenden Kraft von etwa 800 N vorgespannt, die
Kippungen um die Symmetrieachse oder Hübe zuläßt, so erhöht sich der
maximale Kippwinkel auf ϕ = ± 0,2° bzw. der erreichbare Hub in
z-Richtung auf 28 µm. Eine solche Anordnung weist eine sehr hohe
Resonanzfrequenz von ≈ 20 kHz in beiden Betriebsarten auf.
Weitere Variationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen flächigen
Elektrodenausbildungen bezogen auf den Bereich 3 sind in den Fig. 6
und 7 schematisch angedeutet. Dabei sind in Fig. 6 alternierende
unterschiedlich lange Kontaktschichtausbildungen von positiven und
negativen Elektroden in x-Richtung dargestellt, wodurch das elektrische
Feld in den Bereich 3' (respektive des nicht dargestellten Bereichs 3'')
abfällt, was eine geringere Dehnung dieser Gebiete zur Folge hat. In
Fig. 7 sind Elektrodenausführungen dargestellt, bei denen im
Übergangsbereich 3' kontaktierte Scheibenbereiche (A) mit in diesem
Bereich 3' unkontaktierten Scheibenbereichen (B) abwechselnd
vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Folge des Abfalls des elektrisch
wirkenden Feldes in den Übergangsbereich 3' (respektive des hier
ebenfalls nicht dargestellten Bereiches 3'') ist vergleichbar mit der zu
Fig. 6 beschrieben. Weitere Varianten der unterschiedlichen
Elektrodenausbildung in x-Richtung liegen im Rahmen der Erfindung.
Claims (7)
1. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement auf der Basis von
piezoelektrischen Stapeln, die aus einer Vielzahl jeweils beidseitig,
flächig kontaktierter piezoelektrischer Lamellen bestehen, wobei die
äußere Kontaktierung der Laminatstrukturen untereinander durch
durchgängige Elektroden (4, 4', 5, 5') erfolgt, wobei wenigstens zwei
piezoelektrisch aktive Bereiche (1, 2) solcher piezoelektrischer Stapel
vorgesehen sind, zwischen denen ein piezoelektrisch passiver Bereich
(3) angeordnet ist, der Gebiete (3', 3'') beinhaltet, die vom elektrischen
Feld, herrührend von den spannungsbeaufschlagten flächigen
Laminatkontaktierungen, nur teilweise erfaßt oder unerfaßt sind und
die äußeren Elektroden (4, 4', 5, 5') der Bereiche (1, 2) weitestgehend
in Richtung der genannten feldreduzierten bzw. feldfreien Gebiete
verlagert sind, wobei der passive Bereich (3) mit den aktiven
Bereichen (1 und 2) zumindest formschlüssig verbunden ist.
2. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der passive Bereich (3) mit den aktiven
Bereichen (1 und 2) auch stoffschlüssig derart verbunden ist, daß ein
einheitliches, die Bereiche (1, 3, 2) bildendes Laminatschichtpaket
vorgesehen ist, wobei die Laminatkontaktierungsbelegungen im
passiven Bereich (3) unterbrochen ausgeführt sind und die äußeren
Elektroden (4, 4', 5, 5') der aktiven Bereiche (1, 2) ausschließlich im
vom passiven Bereich (3) erfaßten Gebiet vorgesehen sind.
3. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positiven und negativen
Elektroden der Laminatkontaktierungsbelegungen zueinander einen
geometrischen seitlichen Versatz in einer ersten Dimension
(x-Richtung) aufweisen.
4. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der
Laminatkontaktierungsbelegungen aufeinanderfolgender Laminate
zueinander einen Versatz in genannter erster Dimension (x-Richtung)
aufweisen.
5. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach einem der
Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der
Laminatkontaktierungsbelegungen der aktiven Bereiche (1, 2) in einer
zur ersten Dimension (x-Richtung) senkrecht verlaufenden zweiten
Dimension (y-Richtung) zueinander eine voneinander abweichende
Formgebung aufweisen.
6. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß den Elektroden der
Laminatkontaktierungsbelegungen im Gebiet des passiven Bereichs (3)
ein periodisch strukturierter Verlauf in der zweiten Dimension
(y-Richtung) gegeben ist, der derart ausgeführt ist, daß Maxima der einen
Elektrodenstruktur mit Minima der benachbarten zugehörigen anderen
Laminatelektrodenstruktur zusammenfallen.
7. Piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Einzelstapelantriebe durch Trennung aus
einem Gesamtblock bei Einhaltung eines ungeradzahligen Vielfachen
einer kleinsten Periode (t) hergestellt sind.
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